JP2018072214A - 金属材料の結晶粒径評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料の結晶粒径を簡単な処理で評価することができる、金属材料の結晶粒径評価方法を提供する。【解決手段】評価対象の金属材料の結晶粒径を評価する方法であって、（ａ）前記評価対象について、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得るステップと、（ｂ）前記評価対象について、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めるステップと、（ｃ）前記（ｂ）のステップで求めた前記評価対象の標準偏差と、予め求められた結晶粒径と標準偏差との関係を示すマスターカーブとから、前記評価対象の結晶粒径を求めるステップと、を備える。【選択図】 図７

Description

本発明は、金属材料の結晶粒径を評価する方法に関する。

従来、火力発電プラント等において高温環境下で使用されている金属材料（鋼管等）の余寿命を予測するための方法が検討されている。また、このような余寿命予測方法の一つとして、金属材料の結晶粒径に基づいて余寿命を予想する方法が提案されている。

例えば、特開２００７−２４８３９０号公報（特許文献１）に開示された破壊寿命評価装置では、評価対象物に電子線を照射することによって形成される電子後方散乱回折像が撮影される。そして、撮影した回折像を画像処理することによって結晶粒界分布が生成され、生成された結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径が算出される。さらに、算出した平均結晶粒径と、事前に求められた平均結晶粒径と評価対象物の破壊寿命との関係を示す特性曲線とに基づいて、評価対象物の破壊寿命が判定される。

特開２００７−２４８３９０号公報

ところで、上述したように、特許文献１に開示された装置では、評価対象物の平均結晶粒径を求めるために、回折像を画像処理することによって結晶粒界分布を生成しなければならない。さらに、生成した結晶粒界分布に基づいて平均結晶粒径を算出しなければならない。すなわち、特許文献１に開示された装置では、平均結晶粒径を算出するために煩雑な処理が必要になる。また、このような煩雑な処理を行うことによって、誤差が大きくなるおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、金属材料の結晶粒径を簡単な処理で評価することができる、金属材料の結晶粒径評価方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態にかかる結晶粒径評価方法は、金属材料からなる評価対象のＸ線回折像に基づいて、前記評価対象の結晶粒径を評価する結晶粒径評価方法であって、
（ａ）前記評価対象について、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得るステップと、
（ｂ）前記評価対象について、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めるステップと、
（ｃ）前記（ｂ）のステップで求めた前記評価対象の標準偏差と、予め求められた結晶粒径と標準偏差との関係を示すマスターカーブとから、前記評価対象の結晶粒径を求めるステップと、
を備える。

前記結晶粒径評価方法は、さらに、
（ｄ）金属材料からなるモデル材について、異なる状態ごとに、平均結晶粒径を求めるとともに、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得るステップと、
（ｅ）前記（ｄ）のステップで前記異なる状態ごとに得た前記デバイ・シェラーリングについて、前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めるステップと、
（ｆ）前記（ｄ）および（ｅ）のステップで前記異なる状態ごとに求めた前記モデル材の前記平均結晶粒径および前記標準偏差に基づいて、前記マスターカーブを得るステップと、
を備えていてもよい。

前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布からバックグラウンドを除去して得られるデータに基づいて標準偏差を求め、
前記（ｅ）のステップでは、前記（ｄ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布からバックグラウンドを除去して得られるデータに基づいて標準偏差を求めてもよい。

前記（ａ）のステップにおいて前記評価対象についてデバイ・シェラーリングを得る際に、前記評価対象の表面におけるＸ線の照射領域を前記評価対象の表面に垂直な方向から見た場合に、Ｘ線の入射方向における長さが、前記入射方向に直交する方向における長さよりも大きくなるように、前記評価対象の表面にＸ線を照射し、
前記（ｄ）のステップにおいて前記モデル材についてデバイ・シェラーリングを得る際に、前記モデル材の表面におけるＸ線の照射領域を前記モデル材の表面に垂直な方向から見た場合に、Ｘ線の入射方向における長さが、前記入射方向に直交する方向における長さよりも大きくなるように、前記モデル材の表面にＸ線を照射してもよい。

前記（ａ）および（ｄ）のステップでは、複数の面指数ごとにデバイ・シェラーリングを得て、
前記（ｅ）のステップでは、前記複数の面指数のなかから選択した一つの面指数について、前記（ｄ）のステップで前記異なる状態ごとに得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求め、
前記（ｂ）のステップでは、前記（ｅ）のステップで選択した前記一つの面指数について、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めてもよい。

前記モデル材は、前記評価対象と同一の結晶系の金属材料からなっていてもよい。

本発明によれば、金属材料の結晶粒径を簡単な処理で評価することができる。

図１は、Ｘ線回折像の測定方法を説明するための図である。 図２は、Ｘ線回折像を示す図である。 図３は、２次元検出器を用いて得られたＸ線回折像を示す図である。 図４は、Ｘ線の照射領域と回折線との関係を示す図である。 図５は、Ｘ線の照射領域と回折線との関係を示す図である。 図６は、Ｘ線回折強度分布の一例を示す図である。 図７は、結晶粒径と相対標準偏差との関係を示すマスターカーブの一例を示す図である。 図８は、９００℃の金属材料のＸ線回折強度分布を示す図である。 図９は、８００℃の金属材料のＸ線回折強度分布を示す図である。 図１０は、７００℃の金属材料のＸ線回折強度分布を示す図である。 図１１は、αＦｅの（１１０）面、（２００）面、および（２１１）面の回折線のＸ線回折強度分布の相対標準偏差を示す図である。

本発明者は、金属材料の結晶粒径を評価するために種々の検討を行った。この検討のなかで、本発明者は、金属材料のＸ線回折像と結晶粒径との関係を詳細に調べた。その結果、Ｘ線回折像として得られるデバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布が、結晶粒径の変化に応じて変化することを見出した。より具体的には、上記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差と、結晶粒径とに相関があることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされた発明である。以下、本発明の一実施形態に係る結晶粒径評価方法について説明する。

（結晶粒径評価方法の概要）
本発明の一実施形態に係る結晶粒径評価方法（以下、単に評価方法という。）は、例えば、高温環境下において使用されている金属材料の結晶粒径を評価する際に好適に用いられる。なお、本実施形態において高温環境とは、例えば、通常の火力発電ボイラーまたは石油精製機器等の使用温度である５００℃以上の環境を意味する。

本実施形態に係る評価方法は、下記のステップＡ〜Ｃを備える。
ステップＡ：評価対象である金属材料について、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得る。
ステップＢ：評価対象について、上記Ａのステップで得たデバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求める。
ステップＣ：上記Ｂのステップで求めた評価対象のＸ線回折強度分布の標準偏差と、予め求められた結晶粒径と標準偏差との関係を示すマスターカーブとから、評価対象の結晶粒径を求める。

以下、ステップＡ〜Ｃについて具体的に説明する前に、まず、マスターカーブについて説明する。本実施形態では、下記のＤ〜Ｆのステップを実行することによって、予めマスターカーブを作成する。
ステップＤ：金属材料からなるモデル材について、異なる状態ごとに、平均結晶粒径を求めるとともに、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得る。
ステップＥ：上記Ｄのステップで異なる状態ごとに得たデバイ・シェラーリングについて、デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求める。
ステップＦ：上記ＤおよびＥのステップで異なる状態ごとに求めたモデル材の平均結晶粒径および標準偏差に基づいて、マスターカーブを作成する。
以下、ステップＤ〜Ｆについて具体的に説明する。

（ステップＤ）
ステップＤでは、モデル材として、例えば、評価対象の金属材料と同一の結晶系の金属材料が用いられる。また、本実施形態では、ステップＤにおいて、互いに異なる状態の複数のモデル材が準備される。具体的には、例えば、異なる熱処理を実施することによって結晶粒径を変えた複数のモデル材を準備する。そして、各モデル材について、平均結晶粒径を求めるとともに、デバイ・シェラーリングを得る。

平均結晶粒径は、例えば、モデル材の表面を鏡面研磨し、エッチングした後、粒界を明確にして測定する。平均結晶粒径は、光学顕微鏡を用いた観察によって測定してもよく、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）法によって測定してもよい。具体的には、例えば、JIS G0551：2013に従って平均結晶粒径を測定してもよい。なお、平均結晶粒径は、公知の種々の方法によって測定できるので、詳細な説明は省略する。

Ｘ線回折像は、図１に示すように、モデル材の表面にＸ線を入射させて求める。本実施形態では、Ｘ線回折像として、図２に示すような複数のデバイ・シェラーリングが得られる。デバイ・シェラーリングは、複数の面指数ごとに得られる。なお、図１においては、モデル材の表面に垂直な方向を矢印ｂ（以下、垂直方向ｂともいう。）で示し、垂直方向ｂから見た場合におけるＸ線の入射方向を矢印ａ（以下、入射方向ａともいう。）で示している。また、入射方向ａおよび垂直方向ｂに直交する方向を矢印ｃで示している。なお、デバイ・シェラーリングは、公知の方法によって得られるので、詳細な説明は省略する。

図１を参照して、本実施形態では、２次元検出器を用いてＸ線回折像が得られる。図３は、２次元検出器で得られるＸ線回折像の一例を示す図である。図３においては、一例として、αＦｅの（０１１）面、（００２）面、（１１２）面、および（０２２）面の回折線（デバイ・シェラーリング）の一部が示されている。なお、図３において破線で囲まれた範囲は、各回折線の周方向（以下、β方向ともいう。）における同一の角度の範囲（図３の例では３０°の範囲）に相当する。

図４（ａ）を参照して、本実施形態では、モデル材の表面におけるＸ線の照射領域をモデル材の表面に垂直な方向（図１の矢印ｂ参照）から見た場合に、Ｘ線の入射方向ａにおける長さが、入射方向aに直交する方向ｃ（以下、直交方向ｃともいう。）における長さよりも大きい。このようにＸ線を照射することによって、図４（ｂ）に示すように、２次元検出器において、一様な幅の回折線を検出することができる。これにより、詳細を後述するステップＥにおいて、Ｘ線回折強度をより正確に求めることができる。モデル材の表面におけるＸ線の照射領域の入射方向ａにおける長さは、例えば、０．３〜１０．０ｍｍであり、直交方向ｃにおける長さは、例えば、０．１〜０．８ｍｍである。

なお、図５（ａ）に示すように、Ｘ線の照射領域の直交方向ｃにおける長さが、入射方向ａにおける長さよりも大きくてもよい。ただし、この場合には、図５（ｂ）に示すように、２次元検出器において検出される回折線は、両端部の幅が中央部の幅よりも広くなるので、測定精度が低下するおそれがある。

（ステップＥ）
ステップＥでは、複数のモデル材についてそれぞれ、上記のステップＤで得たデバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求める。具体的には、まず、複数のデバイ・シェラーリングのうち、いずれかの面指数（例えば、図３の（１１２）面）のデバイ・シェラーリングを選択する。デバイ・シェラーリングの選択方法については後述する。

次に、選択したデバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布を求める。本実施形態では、図６（ａ）に示すように、β方向における所定範囲（例えば、３０°の範囲：図３において破線で囲まれた範囲）のＸ線回折強度分布を求める。また、求めたＸ線回折強度分布から得られる回折強度Ｉおよびその平均値μに基づいて、下記式から標準偏差σを求める。

本実施形態では、さらに、上記のようにして求めた標準偏差σを平均値μで除することによって、相対標準偏差ＲＳＤを求める。なお、上記においては、母集団の標準偏差を求めているが、標本の標準偏差を求めてもよい。また、例えば、Ｘ線回折強度分布からバックグラウンドを除去した後に、標準偏差を求めてもよい。例えば、バックグラウンドは、図６（ａ）,（ｂ）に示すように、バックグラウンドの形状および測定条件等に応じて適切な近似曲線を用いて除去することができる。なお、バックグラウンドの除去方法としては、公知の種々の方法を利用できるので、詳細な説明は省略する。

（ステップＦ）
ステップＦでは、複数のモデル材ごとに求めた平均結晶粒径および標準偏差に基づいて、結晶粒径と標準偏差との関係を示すマスターカーブを作成する。本実施形態では、図７に示すような、平均結晶粒径と相対標準偏差ＲＳＤとの関係を示すマスターカーブが作成される。本実施形態では、このようにして得られたマスターカーブを用いて、以下のステップＡ〜Ｃの処理を実行して、評価対象の結晶粒径を求めることができる。

（ステップＡ）
ステップＡでは、評価対象について、モデル材と同様に、Ｘ線回折像として、複数のデバイ・シェラーリングを得る。なお、デバイ・シェラーリングを得る方法は、上述のステップＤにおいて説明した方法と同様であるので、説明は省略する。

（ステップＢ）
ステップＢでは、上記のステップＡで得たデバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求める。本実施形態では、ステップＢにおいて、ステップＥで選択されたデバイ・シェラーリングと同じ面指数のデバイ・シェラーリングを選択する。さらに、求めた標準偏差から、相対標準偏差を求める。なお、標準偏差および相対標準偏差を求める方法は、上述のステップＥにおいて説明した方法と同様であるので、説明は省略する。

（ステップＣ）
最後に、上記のようにして求めた評価対象の標準偏差（本実施形態では、相対標準偏差）と、上述のマスターカーブ（図７参照）とから、評価対象の結晶粒径を求める。

（作用効果）
以下、本実施形態にかかる評価方法の作用効果を説明する。図８〜１０は、評価対象の金属材料を９００℃、８００℃および７００℃に設定して、各設定温度で測定したＸ線回折強度分布を示す図である。また、図８〜１０には、それぞれ、Ｘ線回折強度分布の相対標準偏差（ＲＳＤ）を示している。

図８〜１０に示すように、相対標準偏差（ＲＳＤ）の値は、評価対象となる金属材料の状態によって変化する。図８〜１０に示した例からは、評価対象の温度が変わることによって、相対標準偏差の値が変化することが分かる。これは、評価対象となる金属材料の結晶粒径が変化することによって、Ｘ線回折強度分布が変化するからである。本発明者は、この関係に注目して、評価対象の相対標準偏差に基づいて結晶粒径を評価する方法を見出した。例えば、図８に示した例では、相対標準偏差が約５５であるので、図７のマスターカーブから、平均結晶粒径が約１３μｍであると評価することができる。このように、本実施形態によれば、Ｘ線回折強度分布から求められる標準偏差（相対標準偏差）に基づいて、煩雑な処理を行うことなく、簡単に結晶粒径を評価することができる。

本実施形態に係る評価方法によれば、例えば、マルテンサイトや、ベイナイトなどの複雑な組織を有する合金の結晶粒径も評価することができる。また、その場観察（例えば、温度を変化させながらＲＳＤを求める。）によって、結晶粒径の変化の過程（再結晶による粒成長、相変態等）の評価を行うことも可能になる。

（デバイ・シェラーリングの選択方法について）
以下、上述のステップＢおよびＥにおけるデバイ・シェラーリングの選択方法の一例について説明する。

Ｘ線の照射面積は、高回折角度になるほど小さくなる。このため，高回折角度になるほど、結晶粒径の変化に対して、ＲＳＤはより敏感に変化する。一方、評価対象となる金属材料が不均一な組織を有する場合、Ｘ線の照射面積が小さくなると統計精度が低下する。したがって、金属材料に応じて適切な回折線（デバイ・シェラーリング）を選定する必要がある。以下、一例を挙げて説明する。

図１１は、αＦｅの（１１０）面、（２００）面、および（２１１）面の回折線のＸ線回折強度分布の相対標準偏差を示す図である。なお、図１１においては、各回折線の相対標準偏差を、αＦｅが３０℃のときの相対標準偏差を１として規格化し、規格化ＲＳＤとして示している。

図１１に示した例では、６００℃以下の領域では、（１１０）面、（２００）面、および（２１１）面の回折線の相対標準偏差に大きな差は無い。しかし、６００℃を超えた領域では、（２１１）面の回折線の相対標準偏差が最も大きく変化している。この場合、（２１１）面の回折線の相対標準偏差に基づいて結晶粒径を評価することによって、より高精度に結晶粒径を求めることができる。このように、金属材料に応じて適切な回折線（デバイ・シェラーリング）を選択することによって、結晶粒径を精度よく評価することが可能になる。

（変形例）
上述の実施形態では、平均結晶粒径と相対標準偏差との関係を示すマスターカーブを作成し、評価対象のＸ線回折強度分布の相対標準偏差に基づいて、評価対象の結晶粒径を評価する場合について説明した。しかしながら、Ｘ線回折強度分布の偏差を示す指標として標準偏差などを用いてもよい。この場合、平均結晶粒径と標準偏差などとの関係を示すマスターカーブを作成し、評価対象のＸ線回折強度分布の標準偏差などに基づいて、評価対象の結晶粒径を評価してもよい。

（実施例１）
実施例１では、Ｆｅ−０．１ｍａｓｓ％Ｓｉ合金をベースとして微量元素を変えた６つの金属材料について、上述の評価方法によって相対標準偏差を求めるとともに、結晶粒径を評価した。また、光学顕微鏡を用いた観察によって、各金属材料の平均結晶粒径を求めた。その結果を、下記の表１に示す。

表１に示すように、本実施形態に係る評価方法によって予測した結晶粒径は、実測値と大きな差が無かった。この結果から、本実施形態に係る評価方法によれば、金属材料の結晶粒径を簡単にかつ高精度で予測できることが分かる。

（実施例２）
上述したように、本発明を利用したその場観察（例えば、温度を変化させながら）によって、金属材料の結晶粒径の変化の過程の評価を行うことができる。そこで、実施例２では、２種類の合金（合金１：Fe-0.2mass%Si-0.5mass%Mo-0.01mass%B，合金２：Fe-0.2mass%Si-0.5mass%Mo）について、上述の評価方法を利用したその場観察を行い、結晶粒径の変化の過程を評価した。評価結果を下記の表２に示す。表２に示すように、本発明を利用したその場観察によって、Ｂを含有する合金１では、Ｂによるピニング効果によって、結晶粒径が粗大化しにくいことを容易に確認することができる。

本発明によれば、金属材料の結晶粒径を簡単な処理で評価することができる。本発明は、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｎｉ基合金等の種々の金属材料の結晶粒径の評価に好適に利用できる。また、本発明は、例えば、平均結晶粒径が５〜１００μｍ程度の金属材料の評価に好適に利用できる。

Claims (6)

1. 金属材料からなる評価対象のＸ線回折像に基づいて、前記評価対象の結晶粒径を評価する結晶粒径評価方法であって、
   （ａ）前記評価対象について、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得るステップと、
   （ｂ）前記評価対象について、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めるステップと、
   （ｃ）前記（ｂ）のステップで求めた前記評価対象の標準偏差と、予め求められた結晶粒径と標準偏差との関係を示すマスターカーブとから、前記評価対象の結晶粒径を求めるステップと、
   を備える、結晶粒径評価方法。
2. （ｄ）金属材料からなるモデル材について、異なる状態ごとに、平均結晶粒径を求めるとともに、Ｘ線回折像としてデバイ・シェラーリングを得るステップと、
   （ｅ）前記（ｄ）のステップで前記異なる状態ごとに得た前記デバイ・シェラーリングについて、前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求めるステップと、
   （ｆ）前記（ｄ）および（ｅ）のステップで前記異なる状態ごとに求めた前記モデル材の前記平均結晶粒径および前記標準偏差に基づいて、前記マスターカーブを得るステップと、
   をさらに備える、請求項１に記載の結晶粒径評価方法。
3. 前記（ｂ）のステップでは、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布からバックグラウンドを除去して得られるデータに基づいて標準偏差を求め、
   前記（ｅ）のステップでは、前記（ｄ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布からバックグラウンドを除去して得られるデータに基づいて標準偏差を求める、
   請求項２に記載の結晶粒径評価方法。
4. 前記（ａ）のステップにおいて前記評価対象についてデバイ・シェラーリングを得る際に、前記評価対象の表面におけるＸ線の照射領域を前記評価対象の表面に垂直な方向から見た場合に、Ｘ線の入射方向における長さが、前記入射方向に直交する方向における長さよりも大きくなるように、前記評価対象の表面にＸ線を照射し、
   前記（ｄ）のステップにおいて前記モデル材についてデバイ・シェラーリングを得る際に、前記モデル材の表面におけるＸ線の照射領域を前記モデル材の表面に垂直な方向から見た場合に、Ｘ線の入射方向ににおける長さが、前記入射方向に直交する方向における長さよりも大きくなるように、前記モデル材の表面にＸ線を照射する、
   請求項２または３に記載の結晶粒径評価方法。
5. 前記（ａ）および（ｄ）のステップでは、複数の面指数ごとにデバイ・シェラーリングを得て、
   前記（ｅ）のステップでは、前記複数の面指数のなかから選択した一つの面指数について、前記（ｄ）のステップで前記異なる状態ごとに得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求め、
   前記（ｂ）のステップでは、前記（ｅ）のステップで選択した前記一つの面指数について、前記（ａ）のステップで得た前記デバイ・シェラーリングの周方向におけるＸ線回折強度分布の標準偏差を求める、
   請求項２から４のいずれかに記載の結晶粒径評価方法。
6. 前記モデル材は、前記評価対象と同一の結晶系の金属材料からなる、
   請求項２から５のいずれかに記載の結晶粒径評価方法。

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